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进入21世纪以来，科学技术创新进入密集活跃期，新科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。
信息科学技术领域将呈现信息社会、三元计算、智能推动、摩尔定律减缓、泛在智能、P级能效等若干趋势。美国陆军部《 2016—2045年新兴科技趋势报告》认为，未来30年内，万物互联将会迅速发展，移动设备、可穿戴设备、家用电器、医疗设备、工业探测器、监控摄像头、汽车、服装等越来越多的设备将连接到互联网上。通过万物互联，人们可以实时获取所需要的各种信息，加深对全局和局部、宏观和微观的了解，做出更加精准的判断。这种信息化技术创造的数据，将会给工作和生活带来新的信息科技革命。例如，在人工智能领域，其在视频分析、安全防范、语音识别、自然语言处理等领域得到的广泛应用，推动人工智能产业从感知智能向认知智能发展。智能服务呈现线下和线上的无缝结合，智能化应用场景从单一向多元发展。信息领域和医疗领域的科学家正在从不同角度探索人脑机制，进而推动类脑人工智能的快速发展。随着数据资源、运算能力、核心算法等数字技术的不断深化，人类对于大脑、智慧产生等机制会有更加深入的认识，人工智能技术将取得突破性进展。
在新能源、新材料领域，各国的能源资源状况有所不同，在能源结构低碳化发展中面临着许多共性、关键性的科学与技术挑战。一旦取得突破，必将推动新型战略性产业的形成。例如核聚变，已被发达国家作为化石能源的最佳替代品加强研发。新材料是新技术发展的基础，例如石墨烯，结构稳定、导电性强，韧度高、强度大，有望在半导体、光伏、能源、航空航天、国防军工、新一代显示器等领域带来革命性变革。我国石墨烯研发起步相对较晚，但发展迅速，目前整体上已接近国际先进水平，部分领域实现了领先。
在生命科学、生物工程领域，基因编辑、干细胞与组织再生、生命组学、单细胞测序技术、合成生物学、免疫治疗等新兴生命科学关键技术的重大突破，提高了人类认识和解析生命的能力，推动了生物医学研究进一步向精准、定量和可视化方向发展。生物技术与其他高技术的融合，形成了生物芯片、生物信息、生物材料、生物能源、生物光电、生物传感器等新的技术领域，产生了生物技术群。未来科学家们有望找到导致人类衰老的基因族谱，并通过二次干预对这些基因进行重新编辑，从而增加人类的寿命。
在生态、环境、健康领域，未来的生态环境科技将强调以山、水、林、田、湖、草等作为生命共同体，研发生态环境保护与修复的系统性技术方案；以增强可持续性为导向，注重多学科交叉，融合人工智能、大数据、空天地一体化等突破性新技术，为国家“绿水青山”战略提供更系统的科学支撑；地基、空基、星基、月基构成的密集观测系统，使全球无缝实时监测成为可能，放射性、稳定同位素等分析技术也为地球环境诊断提供了新的方法；地球大数据科学工程将极大地提升数据信息的挖掘能力；地球环境模拟和地球过程全数字化模型的不断发展，使“智慧地球”成为可能。生态环境科技的发展将关注五个重大方面：气候变化的生态响应与环境减排；生态系统与环境变化的交互作用及协同调控；环境污染对人类健康的影响机制与风险控制；环境治理的绿色化、资源化和系统化；智慧环境建设与精准化管理。
对宇宙奥秘的探测正在向更远、更深、更广的方向发展。新科技系统的开发和应用，比如机器人、先进推进系统、轻便材料和增强制造，以及元件小型化等，正在降低把人和物送入太空的成本，又将为人类开启太空探索、探险的机会。诺贝尔物理学奖得主丁肇中带领的阿尔法磁谱仪团队2014年在欧洲核子研究中心公布了其最新研究成果，在业已完成的观测中，暗物质的六个特征已有五个得到确认，进一步显示暗物质可能存在。
人类对宇宙的探测步伐将进一步加快。诸如人类将重返月球、登陆火星、开采小行星等更加伟大的科技探险都有可能出现。随着更多国家开始依赖天基设备，对太空的运营和控制有可能成为一个新的增长点。天基武器、反卫星手段受到某些国家军事部门的重视。
历次科技革命和产业变革都引发了生产方式及生活方式的巨大变革。当前，全球新一轮科技革命和产业变革深入发展，可能引发更为深入的变革。从微观到宇观各层次、各领域的技术都在加速突破，新方法、新手段不断涌现。科技的渗透性、扩散性、颠覆性特征，正在引发国际分工新的调整，重塑世界竞争格局，改变国家力量对比。如果缺乏独创独有的能力，不能实现科技自立自强，没有在战略性科技领域实现重大突破，就难以在新一轮科技和产业变革中赢得主动权。
中国的科技创新整体实力与改革开放初期相比，已经发生了根本的变化，在某些领域已经达到世界先进水平。尽管有“跟跑”“并跑”“领跑”的描述，个别领域已超出，但多数领域仍处于跟随阶段，某些领域还存在明显的不足及短板。就短板看，我国的科技创新能力还不适应社会高质量发展的要求，与国际先进水平相比还有很大差距。例如，重点领域关键核心技术受制于人的问题依然突出，芯片、操作系统、航空发动机、精密仪器与设备、重要药品等关键核心技术研发能力还比较薄弱；部分高端制造业基础工艺还比较落后；基础研究仍然薄弱，原始创新能力不足；高端人才、团队及人才培养储备需要加强，科技人才队伍的水平和结构需要进一步优化，尤其是能改变领域国际格局的战略科学家和能实现颠覆性创新的人才相对不足；创新体系整体效能还不高，科技资源围绕重大任务统筹配置不够，战略科技力量的支撑作用发挥不够，高水平的科技领军企业不足；在科技体制机制方面，创新体系中不同主体的定位及方向上重复布局、资源分散等现象还不同程度地存在；学术机构、行政决策、市场机制在科技资源配置中如何发挥作用需要进一步明确；社会公众、企业、政府对知识产权的认知度、保护意识、法规完善等需要进一步提高；全社会崇尚科学、鼓励创新的氛围还不太浓厚；政府职能转变还不到位，科技评价激励机制需要完善，有利于创新的政策环境和社会环境还需进一步优化等。这些领域的不足及短板，还需要较长时间的调整与改善。